一种Al组分渐变式P型LED结构及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Al组分渐变式P型LED结构及制备方法，由下至上依次包括衬底、成核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱发光层、P型AlYInXGa1-X-YN层。P型AlYInXGa1-X-YN层中Al的掺杂量有规律的变化后，能提高P型GaN结构空穴浓度，从而提升外量子效率，所得P型LED结构晶格失配小，从本质上降低接触电阻并改善P型GaN薄膜质量；改变了P型AlYInXGa1-X-YN层的能带分布，减弱了P型AlYInXGa1-X-YN层的价带对空穴注入时的阻挡作用，同时不削弱其对电子的阻挡作用；该结构在一定程度上还可以改善表面粗化，过采用该结构，LED芯片亮度提升了20％，电压降低0.02-0.1V。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于光电子

技术介绍
二十世纪九十年代初，以氮化物为代表的第三代宽带隙半导体材料获得了历史性突破，科研人员在氮化镓材料上成功地制备出蓝绿光和紫外光LED，使得LED照明成为可能。1971年，第一只氮化镓LED管芯面世，1994年，氮化镓HEMT出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管,氮化镓半导体材料发展十分迅速。半导体发光二极管具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在短波长发光器件、光探测器件以及大功率器件方面有着广泛的应用和巨大的市场前景。外延结构的生长是LED芯片的关键技术，而怎样提高二极管的发光效率，是外延结构生长的一个重要难点。目前市场上大部分GaN基LED都是侧向结构，都存在电流密度分布不均的问题，导致LED发光区域没有得到充分利用。电流密度分布不均，会影响边角发光区域得不到充分利用，降低发光二极管的发光效率。P型区是制造GaN LED器件必不可少的重要环节，PGaN结构及其外延生长方法是提高GaN基LED光取出效率的关键。由于难以形成导电良好的P型III族氮化物材料(例如GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN和AlInN)，P型层内电流分布的缺乏可能成为这些材料所形成LED性能的限制因素。中国专利文献CN103078018A公开的一种LED外延结构，所述的P型氮化镓层之上包括ITO掺锡氧化铟层、P型电极和形成于N型氮化镓层上的N型电极以及P型接触层，其所述P型接触层介于P型氮化镓层和ITO掺锡氧化铟层之间，呈锲型结构，且P型接触层的空穴浓度渐变，靠近P型氮化镓层一测空穴浓度高，远离P型氮化镓层一侧空穴浓度低。该专利技术所述LED外延结构具有结构简单、制作方便等优点，相对传统结构，能较大地提高强LED的发光效率与信赖性。但是，由于远离PGaN的一侧空穴浓度低，使得该方法所制备的LED结构接触层电阻较大,从而管芯电压较高，同时发光效率也大大降低。中国专利文献CN102769078A公开的“高生长速率的P型GaN结构LED制造方法”，该专利技术公开了一种高生长速率的P型GaN结构LED的制造方法，通过借助高生长速率生长P型GaN层，减少生长时间，其LED结构能够减少In的挥发，并且减少对临近周期InGaN的破坏，从而有效减少对发光层多量子阱结构的伤害，提高量子阱晶体质量。但是，采用高速率生长P型GaN层，其晶体质量难以保证；同时，容易导致Mg掺杂的不均匀，从而造成空穴分布不均。中国专利文献CN102637796A公开的《具有P型AlGaN层结构的LED芯片及其制备方法》，该专利技术提供的LED芯片中设置了 P型AlGaN层中Al的掺杂量有规律的改变，改变了P型AlGaN层的能带分布，减弱了 P型AlGaN层的价带对空穴注入时的阻挡作用。所形成的能带具有多个势阱，这些势阱能带有利于空穴的注入。而势垒则能继续对电子起阻挡作用。但是，该P型AlGaN结构对电子的阻挡作用较弱，从而导致电子外溢至P型，影响发光效率。中国专利文献CN102157646A公开的《一种氮化物LED结构及其制备方法》，涉及了一种氮化物LED结构，其在N型电子注入层与多量子阱有源层之间插入一 In含量渐变的InGaN层以及制备方法。通过这层In含量渐变的InGaN层，可以释放多量子阱有源层和N型电子注入层之间的应力，提高器件的内量子效率。但是，此InGaN结构减少了电子浓度，在一定程度上影响了发光效率。中国专利文献CN102820395A公开的《一种采用高势垒高度渐变量子垒的LED结构及其制备方法》，涉及一种采用势垒高度渐变的量子垒的LED结构，其量子垒的势垒高度从N侧到P侧逐步降低，此种新结构改善了空穴的输运，使得空穴分布于更多的量子阱内。但是，由于In浓度的渐变型，导致空穴分布不均匀，芯片单位面积的光功率差异较大。中国专利文献CN102487113A公开的《提高发光效率的GaN基LED外延片及其制备与应用》，涉及一种提高发光效率的GaN基LED外延片，使用P型的InGaN和P型GaN，一方面利用InGaN和GaN的极化效应产生较高的载流子浓度，不需要再次进行氮气退火；另一方面利用InGaN和GaN的多周期重复结构产生的表面空洞实现表面粗化，但是，此方法的晶格失配较大，所制备的外延片质量相对较差。中国专利文献CN101872719B公开的《改善InGaN量子阱的In组分均匀性的外延生长方法》，涉及一种改善InGaN量子阱的In组分均匀性的外延生长方法，是在生长InGaN量子阱的初始阶段使TEGa或TMIn的流量高出常规正常流量，然后再跳变陡降或逐渐渐变到常规正常生长流量生长InGaN层；或者是先通入一定的TMIn，然后按常规正常生长流量通入TEGa和TMIn生长InGaN量子阱；在一个InGaN量子阱生长结束后，终端后续生长，使过多的In原子从量子阱表面挥发，以保证量子阱沿生长方向In组分更均匀。本专利技术通过简单的改变生长源的流量或者通入的先后顺序就能大大改善量子阱内的In组分分布，量子阱的开始阶段In组分即达到InGaN量子阱中的平均组分，使量子阱的上下界面更陡峭。但是，该方法使得In源的用量较多，不利于生产成本的控制。
技术实现思路
针对现有技术不足，本专利技术提供，该结构能提高P型GaN结构空穴浓度，从而提升外量子效率，所得P型LED结构晶格失配小，从本质上降低接触电阻并改善P型GaN薄膜质量。专利技术概述:本专利技术是通过对P型LED芯片中所设置的P型AMnxGamN层中Al的掺杂量做规律的变化，来改变P型AlYInxGai_x_YN层的能带分布，从而减弱P型AlYInxGai_x_YN层的价带对空穴注入时的阻挡作用，同时不削弱其对电子的阻挡作用。通过采用该结构，LED芯片亮度提升了 20%，电压降低0.02-0.1V。术语说明:LED:发光二极管的简称。专利技术详述:本专利技术的技术方案如下:一种Al组分渐变式P型LED结构，由下至上依次包括衬底、成核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱发光层、P型AMnxGamN层；其中，所述衬底是蓝宝石、碳化硅；所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一；所述缓冲层是非掺杂氮化镓；所述多量子阱发光层是由InGaN势阱层和GaN势垒层周期性交替叠加构成；所述P 型 AlyInxGa1^yN 结构中，所述 O ^ X ^ 1,0 ^ Y < 10根据本专利技术优选的，所述多量子阱发光层为3-20个周期；根据本专利技术优选的，所述P型AlYInxGai_x_YN的厚度为0.1-5 μ m。本专利技术上述的一种Al组分渐变式P型LED结构的制备方法，包括以下步骤:(I)将蓝宝石或碳化硅衬底放入金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1300°C，处理5-15分钟；(2)在处理过的蓝宝石或碳化硅衬底上生长氮化镓、氮化铝或者铝镓氮成核层；(3)在上述成核层上生长非掺杂氮化镓缓冲层、N型GaN层以及多量子阱发光层；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Al组分渐变式P型LED结构，由下至上依次包括衬底、成核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱发光层、P型AlYInXGa1‑X‑YN层；其中，所述衬底是蓝宝石、碳化硅；所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一；所述缓冲层是非掺杂氮化镓；所述多量子阱发光层是由InGaN势阱层和GaN势垒层周期性交替叠加构成；所述P型AlYInXGa1‑X‑YN结构中，所述0≤X≤1，0≤Y＜1。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：逯瑶，王成新，曲爽，
申请(专利权)人：山东浪潮华光光电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37